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Top­Quark­Produktion bei CDF
Jeannine Wagner­Kuhr
Physikalisches Kolloquium Karlsruhe
24.04.2009
CDF
Jeannine Wagner­Kuhr
Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
1
Überblick
● Der lange Weg zum Top­Quark
● Besonderheiten des Top­Quarks
● CDF­Detektor
● Top­Quark­Paar­Produktion
● Einzel­Top­Quark­Produktion
Jeannine Wagner­Kuhr
Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
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Überblick
● Der lange Weg zum Top­Quark
● Besonderheiten des Top­Quarks
● CDF­Detektor
● Top­Quark­Paar­Produktion
● Einzel­Top­Quark­Produktion
Jeannine Wagner­Kuhr
Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
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Vom Kristall zum Quark
Standard­Modell (SM) der Teilchenphysik
● 6 Quarks und 6 Leptonen
● 3 Quark­ und Lepton­Generationen
● Kräfte vermittelt durch Austausch­
teilchen: Stark : Gluonen
Elektromagnetisch : Photon
Schwach : W, Z
Jeannine Wagner­Kuhr
Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
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Vorhersage des Top­Quarks
1964, Gell­Mann:
Teilchenzoo (Hadronen) erklärbar im Rahmen des Quark­Modells (u,d,s)
Jeannine Wagner­Kuhr
Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
Murray Gell­Mann
Nobel­Preis 1969
5
Vorhersage des Top­Quarks
1964, Gell­Mann:
Teilchenzoo (Hadronen) erklärbar im Rahmen des Quark­Modells (u,d,s)
1970, Glashow­Iliopoulos­Maiani:
Vorhersage eines 4. Quarks (c), um die viel kleiner als erwartete Zerfallsrate von K0 → μ+ μ­ (ΔS=1) zu erklären
Jeannine Wagner­Kuhr
Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
Murray Gell­Mann
Nobel­Preis 1969
Sheldon Lee Glashow
Nobel­Preis 1979
6
Vorhersage des Top­Quarks
1964, Gell­Mann:
Teilchenzoo (Hadronen) erklärbar im Rahmen des Quark­Modells (u,d,s)
Murray Gell­Mann
Nobel­Preis 1969
Sheldon Lee Glashow
1970, Glashow­Iliopoulos­Maiani:
Vorhersage eines 4. Quarks (c), um die viel kleiner als erwartete Zerfallsrate von K0 → μ+ μ­ (ΔS=1) zu erklären
Nobel­Preis 1979
1972, Kobayashi und Maskawa:
Vorhersage einer 3. Quark­Generation (b, t), um das Auftreten von KL0 → π+π- (CP­Verletzung) zu erklären
Nobel­
Preis 2008
Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa
Jeannine Wagner­Kuhr
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Experimentelle Befunde
1974, Entdeckung des c­Quarks (Ting et al und Richter et al)
1977, Entdeckung des b­Quarks
(Ledermann et al) Jeannine Wagner­Kuhr
}
Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
Suche nach
dem Top­Quark
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Experimentelle Befunde
1974, Entdeckung des c­Quarks (Ting et al und Richter et al)
1975, Entdeckung des b­Quarks
(Ledermann et al) }
Suche nach
dem Top­Quark
Suche nach dem Top­Quark an e+e­ ­ Beschleunigern (1979­1990):
√s: 47 GeV 61 GeV 91GeV
mt : > 23.3 GeV/c2 > 30.2 GeV/c2 > 45.8 GeV/c2 (Petra, 1985) (Tristan, 1990) (SLC, LEP­I, 1990)
Jeannine Wagner­Kuhr
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Experimentelle Befunde
1974, Entdeckung des c­Quarks (Ting et al und Richter et al)
1975, Entdeckung des b­Quarks
(Ledermann et al) }
Suche nach
dem Top­Quark
Suche nach dem Top­Quark an e+e­ ­ Beschleunigern (1979­1990):
√s: 47 GeV 61 GeV 91GeV
mt : > 23.3 GeV/c2 > 30.2 GeV/c2 > 45.8 GeV/c2 (Petra, 1985) (Tristan, 1990) (SLC, LEP­I, 1990)
¯
Suche nach dem Top­Quark am pp­Beschleuniger SppS (1981­1989):
√s: 546 GeV 546 GeV und 630 GeV 630 GeV
mt : ~ 40 GeV/c2 > 44 GeV/c2 > 69 GeV/c2 (UA1, 1984) (UA1, 1988) (UA2, 1990)
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Indirekte Hinweise auf mt
¯ 0­Oszillation 1987, Entdeckung der B0­B
(Argus Collaboration)
Umwandlungrate B0 → ¯B0 ~ mt2
¯ 0 groß
Messung: Umwandlungrate B0 → B
Hinweis auf ein schweres Top­Quark
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Indirekte Hinweise auf mt
¯ 0­Oszillation 1987, Entdeckung der B0­B
(Argus Collaboration)
Umwandlungrate B0 → ¯B0 ~ mt2
¯ 0 groß
Messung: Umwandlungrate B0 → B
Hinweis auf ein schweres Top­Quark
Ab 1989, Präzisionsmessungen auf Z­Resonanz
(SLC, LEP­I)
Radiative Korrekturen sind sensitiv auf mt
● Messgrößen: M
0
, Γ
,
σ
, Γbb/Γhad , AFB , ... Z Z
had
Stand 1993
● m ­abhängige Anpassung an Daten → m Vorhersage
t
t
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Entdeckung des Top­Quarks
1994: Erste Hinweise auf Top­Quark
(Tevatron, √s = 1.8 TeV)
15 (CDF), 9 (D0) Ereigniskandidaten
6 (CDF), 4 (D0) Untergrundereignisse erwartet
1995: Entdeckung des Top­Quarks
● Wirkungsquerschnitt: 1995
CDF
Unter­
grund
σtt ¯ = 6.8 +3.6
­2.4 pb (CDF)
Daten
Vorhersage
inklusive Top
σtt ¯ = 6.4 ± 2.2 pb (D0)
● Top­Quark­Masse:
mt = 176 ± 8 ± 10 GeV/c2 (CDF)
2 mt = 199 +19
± 22 GeV/c
(D0)
­21
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mt – Historischer Überblick
Untere Grenzen auf mt:
e+e­­Beschleuniger
SppS (CERN) and
Tevatron (Fermilab)
Indirekte mt­Vorhersage aus
elektroschwachen Prozessen
Direkte mt­Messungen am Tevatron:
CDF D0 Top­Quark wurde nach 17 Jahren Suche gefunden
Untersuchung des Top­
Quarks jetzt möglich
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Überblick
● Der lange Weg zum Top­Quark
● Besonderheiten des Top­Quarks
● CDF­Detektor
● Top­Quark­Paar­Produktion
● Einzel­Top­Quark­Produktion
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Quark­Massen • M >> M > M >> M
• 5 Größenordnungen zwischen den t b
c
s Quark­Massen
top
Masse in GeV/c
q [e]
173
2
up
+2/3
0.005
­1/3
0.01
down
charm
1.5
0.15
strange
5.0 bottom
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Top­Quark – Quasi­freies Quark
Zerfallsbreite des Top­Quarks:
Hadronisierung:
Γtop ~ (mt / mW)3 , Γtop ≈ 1.5 GeV
Heisenbergsche Unschärferelation
τtop ≈ 5 · 10­25 s < τhad τhad ≈ 5 · 10­24 s
Top­Quarks zerfallen bevor sie
hadronisieren können:
Keine Top­Hadronen
Aber: Untersuchung eines quasi­freien Quarks
(z.B. Spin­Messung möglich)
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mt und Higgs­Boson
SM: Higgs­Mechanismus gibt den Teilchen ihre Masse
Tevatron­Kombination, März 2009:
­ Existenz des Higgs­Bosons H
­ H koppelt bevorzugt an schwere Relative Unsicherheit: 0.75 %
mt = 173.1 ± 1.3 GeV/c2 Teilchen
● Sensitiv auf m
H
über radiative Korrekturen von elektroschwachen
Prozessen
Δ mW ~ mt2
Δ mW ~ ln mH
● Präzise Messung von m und m
t
W
Indirekte Vorhersage von mH
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Untersuchung des Top­Quarks
Produktion:
Intrinsische Eigenschaften:
Zerfall:
t
● Produktionsraten von ver­
● Top­Quark­Masse
● Zerfallskanäle
schiedenen Prozessen
(stark, elektroschwach)
→ Rückschlüsse auf mH
(SM und neuartige)
● Differentielle Verteilungen
● Ladung
● Neuartige Produktions­
● Lebensdauer
● Kopplungen
mechanismen
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Untersuchung des Top­Quarks
Produktion:
Intrinsische Eigenschaften:
Zerfall:
t
● Produktionsraten von ver­
● Top­Quark­Masse
● Zerfallskanäle
schiedenen Prozessen
(stark, elektroschwach)
→ Rückschlüsse auf mH
(SM und neuartige)
● Differentielle Verteilungen
● Ladung
● Neuartige Produktions­
● Lebensdauer
● Kopplungen
mechanismen
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Überblick
● Der lange Weg zum Top­Quark
● Besonderheiten des Top­Quarks
● CDF­Detektor
● Top­Quark­Paar­Produktion
● Einzel­Top­Quark­Produktion
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Tevatron­Beschleuniger
p
√s = 1.96 TeV
p
CDF
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Integrierte Luminosität
5 fb­1 “auf Band”
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CDF­Detektor
Myon­Kammern
Myon­ID
Spurkammer
Impuls geladener
Teilchen
Silizium­Detektor
b­Jet ID
EM Kalorimeter
Elektron­ID,
Energie
Had. Kalorimeter
Energie
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Magnetspule
Magnetfeld, 1.4 T Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
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Silizium­Detektor
SVX
Kollisionshalle: Ausleseelektronik des Siliziumdeteketors
Silizium­Detektor Gruppe 2006
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Überblick
● Der lange Weg zum Top­Quark
● Besonderheiten des Top­Quarks
● CDF­Detektor
● Top­Quark­Paar­Produktion
● Einzel­Top­Quark­Produktion
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Produktionsrate von Top­Quarks
¯
b­Quarks (bb):
4 ­ 5 pro Millisekunde
W­Bosonen:
2 ­ 3 pro Sekunde
Top­Quark­Paare:
1 ­ 2 pro Stunde
Einzelne Top­Quarks:
½ ­ 1 pro Stunde
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Top­Quark­Paar­Produktion
Dominanter Prozess der Top­Quark­
Erzeugung:
Proton­Antiproton­Kollisionen
Top­Quark­Paar­Produktion
starke Wechselwirkung (QCD)
SM NLO Vorhersage:
σtt¯ = 6.7 ± 0.8 pb
M. Cacciari et al., JHEP 0909, 127 (2008) N.Kidonakis et al,
Phys. Rev. D78, 074005, P. Uwer et al., Nucl. Phys. Proc. Suppl. 183, 75 (2008)
Quark­Antiquark­Annihilation
Gluonfusion
≈ 85 %
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≈ 15 %
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Zerfall von Top­Quark­Paaren
Top­Quark­Zerfall
Zerfallskanäle von Top­Quark­Paaren t → b W ≈ 100 %
W­Boson­Zerfall
● 'Leptonisch':
W → l ν ≈ 2/9 mit l=e,μ
● Tauonisch:
Schwierig zu identifizieren
W → τ ν ≈ 1/9 ● Hadronisch:
¯
¯
W → qq' ≈ 6/9
q,q' hadronisieren
zu Jets
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Dilepton ≈ 5%
Lepton+Jets ≈ 30%
Rein hadronisch ≈ 44%
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Ereignis­Signaturen
Dilepton­Kanal
Lepton+Jets­Kanal Rein hadronischer Kanal
Zerfallsrate: ≈ 5 % ≈ 30 % ≈ 44 %
Untergrund: wenig moderat groß
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Ereignis­Signaturen
Dilepton­Kanal
Lepton+Jets­Kanal Rein hadronischer Kanal
Zerfallsrate: ≈ 5 % ≈ 30 % ≈ 44 %
Untergrund: wenig moderat groß
Jeannine Wagner­Kuhr
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Lepton+Jets­Kanal ­ Selektion
W→lν:
● Exakt ein hochenergetisches, Top­Quark­Paar­Kandidat
isoliertes Lepton (e,µ)
● Fehlender Transversalimpuls
(Neutrino)
¯
¯ t→bW, ¯t→bW:
W→qq',
● Anzahl der rekonstruierten Jets ≥ 4 (bzw. 3)
● Mindestens ein als b­Jet identifizierter Jet
B­
ron
d
a
H
b­Jet
τB≈ 1.5 ps → cτ ≈ 450 µm
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Energiedeposition im EM Kalorimeter
Energiedeposition im had. Kalorimeter
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Totaler Wirkungsquerschnitt
● Subtrahiere Untergrund
Signal­
region
● Korrigiere auf Detekor­
akzeptanz und Selek­
tionseffizienz ≈ 650 Ereignisse σtt¯ = 7.2 ± 0.4 (stat.) ± 0.5 (syst.) ± 0.4 (lumi) pb
SM: σtt¯ = 6.7 ± 0.8 pb
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Messungen sind konsistent mit SM­Vorhersage
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¯
Analyse von tt­Produktion
Anteil von Gluonfusions­Ereignissen zur Top­Quark­Paar­Produktion: Quark­Antiquark­
Annihilation
Gluonfusion
Kinematik der Top­Quark­
Paar­Zerfallsprodukte leicht
unterschiedlich
Resultat: fg = 7 +0.15 ­0.07 %
SM: fg=(15±5)%
Suche nach schweren Resonanzen:
● f
g
­Messung ist konsis­
tent mit SM
● Keine Hinweise auf Sensitive Variable: Rekonstruierte Masse
des Top­Quark­Paares Jeannine Wagner­Kuhr
schwere, schmale Resonanzen in Top­ Quark­Paar­Produktion
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Vorwärts­Rückwärts­Asymmetrie
Parton­Ruhesystem:
Rückwärts
Vorwärts
t
Parton aus
Proton
Parton aus
Antiproton
­
t
Standard­Modell:
Interferenzeffekt höherer Ordnungen,
z.B.:
Neue Physik:
Neue Bosonen (z.B. Z', Axigluon) koppeln unterschiedlich an links­
und rechtshändige Fermionen
⊗
AFB ≈ 5% AFB bis zu ±(20­30)% J. Kühn et al., Phys. Rev. Lett. 81, 49 (1998), J. Kühn et al., Phys. Rev. D59, 054017 (1999), P. Uwer et al., Phys. Rev. Lett. 98, 262002 (2007), J. Kühn et al., Phys. Rev D77, 014003 (2008), L. Almeida et al., Phys. Rev. D78, 014008 (2008).
Jeannine Wagner­Kuhr
J. Rosner, Phys. Lett. B387, 113 (1996), J. Kühn et al., Phys. Rev D77, 014003 (2008), G. Rodgrigo et al., Phys. Rev. D78, 094018 (2008).
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Sensitive Variablen
t
q
q̄
Sensitiv auf
AFB im Par­
t
ton­Ruhe­
System
p
θ
p̄
lab
Sensitiv auf AFB
im Labor­System
reconstructed
Rapiditätsdifferenz der Top­Quarks
y = ½ · ln(E+pz)/ln(E­pz)
y­Differenz: Lorentzinvariant
Jeannine Wagner­Kuhr
reconstructed
Polarwinkel des Top­Quarks
lab
Vorhersage: AFB ≈ 1.3 · AFB
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Korrektur der Sensitiven Variablen
Beobachtete Asymmetrie beeinflußt von Untergrund und Detektoreffekten
Korrektur der sensitiven Variable:
Subtraktion des Untergrundes
reconstructed
reconstructed
Korrektur auf Verschmierungseffekte und auf Akzeptanz
Jeannine Wagner­Kuhr
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Asymmetrie ­ Resultat
lab
L = 1.9 fb : AFB = (24 ± 13 ± 4) % , AFB = (17 ± 7 ± 4) %
­1
Neue Messung mit L = 3.2 fb : AFB
lab
AFB = (19 ± 7 ± 2) %
= AFB
­1
SM: AFB ≈ 5% lab
AFB ≈ 1.3 · AFB
Axigluon
Gemessene Asymmetrien größer als SM­Vorhersage, aber konsistent mit dieser innerhalb der Unsicherheit Jeannine Wagner­Kuhr
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Überblick
● Der lange Weg zum Top­Quark
● Besonderheiten des Top­Quarks
● CDF­Detektor
● Top­Quark­Paar­Produktion
● Einzel­Top­Quark­Produktion
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Einzelne Top­Quarks
elektroschwache
Wechselwirkung SM NLO Vorhersage: σ
= 2.9 ± 0.4 pb ≈ 0.4 · σtt¯
single t B.W. Harris et al., Phys. Rev. D 66, 054024 (2002), Z. Sullivan, Phys. Rev. D 70, 114012 (2004), N. Kidonakis, Phys. Rev. D74, 114012 (2006)
t­Kanal
s­Kanal
≈ 32 %
Leptonischer W­Zerfall (BR≈ 21 %):
≈ 68 %
s­Kanal
● Exakt ein hochenergetisches, isoliertes Lepton (e,µ)
● Fehlender Transversalimpuls
● Anzahl der rekonstruierten Jets: 2 oder 3
● Mindestens ein als b­Jet identifizierter Jet
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Untergrundabschätzung
file:///home/jeannine/Desktop/njets_gr1tag.eps
● Herausforderung ist der
Fehler der Unter­
grundabschätzung
größer als Signal
große Untergrund
● Untergrundabschätzung teils aus Daten, teils mit Monte­Carlo­Simulationen
Zählexperiment nicht möglich Multivariate Analysen
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Neuronale­Netzwerk­Analyse
● Kombination von vielen Variablen in einem NN,
z.B. Mlνb – rec. Top­Quark­Masse im Falle von Signal
(Korrelationen zwischen Variablen berücksichtigt)
leistungsstarke Diskriminante
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CDF­Kombination
Standard Datensatz:
e,µ vom W­Zerfall detektiert
Orthogonaler Datensatz:
Rekonstruiere nur ν vom W­Zerfall
Kombination von 5 multiva­
riaten Diskriminanten zu
einer Super­Diskriminanten
Weitere Analyse mit neuronalen
Netzwerken
Erwartete Signifikanz : > 5.9 σ Beobachtete Signifikanz: 5.0 σ σsingle t = 2.3 +0.6 pb
­0.5 Jeannine Wagner­Kuhr
(SM: σsingle t = 2.9 ± 0.4 pb)
Entdeckung von Einzel­Top­
Quark­Produktion am Tevatron,
Messung konsistent mit SM
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Zusammenfassung
Viel gelernt über das Top­Quark in den letzten 14 Jahren
Top­Masse
Paar­Produktion
Einzel­Produktion
Asymmetrie
t
Pre­Tevatron
Tevatron
LHC
12% (indirekt)
0,75%
≲ 0,6%
10%
≲ 10%
entdeckt
Präzise
Vermessung
größer als erwartet,
aber konsistent mit SM
neue Physik?
Neue Physik
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?
44
Zusammenfassung
Viel gelernt über das Top­Quark in den letzten 14 Jahren
Top­Masse
Paar­Produktion
Einzel­Produktion
Asymmetrie
Pre­Tevatron
Tevatron
LHC
12% (indirekt)
0,75%
≲ 0,6%
10%
≲ 10%
entdeckt
Präzise
Vermessung
größer als erwartet,
aber konsistent mit SM
neue Physik?
Neue Physik
Jeannine Wagner­Kuhr
Physikalisches Kolloquium, 24.4.2009
?
45
Zusammenfassung
Viel gelernt über das Top­Quark in den letzten 14 Jahren
Top­Masse
Paar­Produktion
Einzel­Produktion
Asymmetrie
Pre­Tevatron
Tevatron
LHC
12% (indirekt)
0,75%
≲ 0,6%
10%
≲ 10%
entdeckt
Präzise
Vermessung
größer als erwartet,
aber konsistent mit SM
neue Physik?
Neue Physik
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?
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Zusammenfassung
Viel gelernt über das Top­Quark in den letzten 14 Jahren
Top­Masse
Paar­Produktion
Einzel­Produktion
Asymmetrie
Pre­Tevatron
Tevatron
LHC
12% (indirekt)
0,75%
≲ 0,6%
10%
≲ 10%
entdeckt
Präzise
Vermessung
größer als erwartet,
aber konsistent mit SM
neue Physik?
Neue Physik
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?
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Zusammenfassung
Viel gelernt über das Top­Quark in den letzten 14 Jahren
Top­Masse
Paar­Produktion
Einzel­Produktion
Asymmetrie
Pre­Tevatron
Tevatron
LHC
12% (indirekt)
0,75%
≲ 0,6%
10%
≲ 10%
entdeckt
Präzise
Vermessung
größer als erwartet,
aber konsistent mit SM
neue Physik?
Neue Physik
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